Вариатор помогает сэкономить топливо и повысить комфорт вождения. Кроме того, он проще и дешевле в производстве, чем обычные автоматические коробки передач. Однако бесступенчатые автоматические коробки передач так и не смогли завоевать рынок. Не каждого устраивает особенность работы вариатора, и - что еще хуже – иногда они ломаются.
CVT – это сокращение от английского Continuously Variable Transmission , что означает бесступенчатая коробка передач. Вариатор - во многих отношениях трансмиссия необычная. Вместо классических зубчатых колес здесь используется стальной ремень или цепь, которая движется между двумя парами конических колес, образующих шкив.
Колеса установлены парой на входных и выходных валах. Каждая коническая пара может сближаться друг с другом или расходиться, благодаря чему бесступенчато меняется радиус шкива, и достигается плавное изменение передаточного отношения. При этом крутящий момент непрерывно передается от двигателя к колесам.
При движении с постоянной скоростью мотор работает на необычно низких оборотах, что и способствует снижению расхода топлива и повышению уровня комфорта. Пользователи автомобилей с CVT подчеркивают исключительную плавность движения – без толчков и рывков при старте. Вариаторы, как правило, меньше и легче классических автоматов. Поэтому они часто применяются в небольших городских автомобилях, особенно японских марок.
Но если все так хорошо, то почему доля автомобилей с CVT так мала? Выделить главную причину довольно сложно. Но многих водителей не устраивает специфическая работа коробок этого типа. Добавляешь газ, и двигатель, громко завывая, выходит на высокие обороты без заметного ускорения. Тихо становится лишь при движении с постоянной скоростью. Автолюбителей, любящих посильней вдавить педаль газа в пол, подобное поведение легкового автомобиля раздражает. Впрочем, так ведут себя, главным образом, бесступенчатые коробки передач из 80-х и 90-х годов.
Примерно 10 лет назад на рынке стали появляться CVT с так называемыми виртуальными передачами. В таком случае каждой из передач назначено определенное взаимное положение конических колес. Выбрать необходимую передачу можно, например, с помощью подрулевых лопаток (весел).
Данное решение используется с 2005 года в автомобилях Audi, оснащенных бесступенчатой трансмиссией Multitronic. В обычном режиме коробка ведет себя, как классический вариатор, т.е. поддерживает высокие обороты при разгоне. А работу «автомата» CVT имитирует только после перехода в спортивный режим.
Конструктивные особенности
Вариаторы, условно, можно разделить на две группы: со стальным ремнем и цепью. В бесступенчатых трансмиссиях присутствует и гидротрансформатор. Он нужен, прежде всего, для старта с места. Примечательно, но Multitronic обходится без него. В этих коробках используется пакет сцеплений и двухмассовый маховик.
Вариатор имеет ряд серьезных ограничений, которые инженеры пока так и не смогли обойти. Например, по конструктивным причинам, ни цепь, ни, тем более, стальной ремень не в состоянии передать высокий крутящий момент. Из-за этого область применения CVT в настоящее время ограничена максимальным крутящим моментом двигателя на уровне 350-400 Нм. Впрочем, этот порог перекрывает показатели многих современных двигателей. Тем не менее, в Audi уже начинают отказываться от использования бесступенчатых коробок «Multitronic ».
В тоже время, другие производители упорно работают над усовершенствованием конструкции вариатора. Так Subaru демонстрирует все новые модели, оснащенные бензиновыми двигателями с турбонаддувом, полным приводом и бесступенчатой коробкой CVT (например, Linear tronic для Levorg).
Долговечность
О проблемах Audi с коробками Multitronic производства Luk слышал, наверное, каждый, кто хоть немного интересуется автомобилями. В CVT старого типа (1999-2006 гг.) постоянно сбоит управляющая электроника, выходит из строя механическая часть и преждевременно изнашивается цепь. Примечательно, что цепь использовали как раз для того, чтобы передать более высокий крутящий момент, но инженеры просчитались с ее прочностью. Со временем Немцы существенно доработали свои коробки, но проблемы все еще встречаются. Не вызывают доверия и другие немецкие вариаторы, например, ZF VT 1-27T , применявшиеся в Mini R50/R53, и Mercedes 722.7/722.8 для моделей A/B -класса.
Гораздо меньше хлопот доставляют японские конструкции. Хотя, вариатор , используемый в различных моделях Nissan (например, Qashqai), тоже относится к группе риска. Общая проблема коробок CVT – это ограниченная доступность запасных частей и нежелание некоторых механиков связываться с вариаторами. Бесспорный лидер по части надежности – вариаторы Toyota (Lexus).
Бесступенчатая автоматическая коробка, несмотря на сравнительно простую конструкцию, довольно сложная и дорогая в эксплуатации. В дополнение к неисправностям электроники и ремней/цепей встречается и преждевременный износ маховика. Стоит отметить, что двухмассовый маховик используется лишь в некоторых автомобилях с CVT (Ауди).
Заключение
Самое главное, не забывать о регулярной замене масла. К сожалению, не все производители ее рекомендуют. Если в сервисе Вам скажут, что менять масло в вариаторе не надо, то просто поищите другую мастерскую.
Это образчик среди трансмиссий по эффективности передачи крутящего момента, но у этого типа коробок передач есть один нюанс, который многих подбешивает, а иногда просто становится опасным для жизни, резкое ускорение на автомобиле оборудованным вариатором невозможно, здесь нужны именно шестерни.
Подумали об этом деле в Тойота и решили, а почему бы действительно не поставить на свою CVT трансмиссию первую передачу? Обычную скорость на валу с шестеренкой, которая бы дала подходящий разгонный импульс для автомобиля. Поскольку на низких скоростях или при начале движения приводной ремень находится в самой неэффективной позиции, на которой крутящий момент будет максимально высоким, а передача будет невероятно низкой. Это нужно было обойти.
Сказано - сделано. Новая вариаторная трансмиссия от теперь обзавелась первой передачей, точно такой же как на стандартной механической или автоматической трансмиссии. Этот дополнительный элемент стал в CVT-трансмиссии не только эффективным средством, помогающим разогнать автомобиль быстрее, но и позволил уменьшить сложность и повысить надежность вариатора, что на первый взгляд кажется странным. Вроде конструкция же усложнилась, добавился новый элемент, однако специалисты считают, что такой симбиоз пойдет коробке передач только на пользу.
Подробно и доходчиво о системе вариатора от Тойота (включаем субтитры и перевод, если необходимо):
Вариаторы имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими типами трансмиссий. Они эффективнее реализуют тяговые возможности двигателя, обеспечивая топливную экономичность и более низкий уровень вредных выбросов. Но рядового автолюбителя куда больше волнуют иные показатели - надежность и ресурс. Поговорим о них на примере наиболее массовых вариаторов фирмы Jatco.
Фирма Jatco - один из мировых лидеров по производству автоматических коробок передач и вариаторов. Ее бесступенчатые агрегаты ставят на автомобили многих производителей, хотя Jatco - детище концерна Nissan и на 75% принадлежит ему.
В России много машин с вариаторами Jatco - и пробеги уже велики. Пора покопаться в их послужном списке и проследить эволюцию с акцентом на ресурс, надежность и слабые места.
Сосредоточимся на семействах вариаторов двух последних генераций, официально представленных на нашем рынке. Именно они работают на популярных автомобилях предпоследних и текущих поколений.
Наш анализ построен на статистике официальных и независимых техцентров, которые помогли оценить целесообразность и стоимость ремонта вариаторов конкретных моделей, а также доступность запчастей.
Товар массового потребления
Модели JF010E и JF011E принадлежат к так называемому десятому семейству. Это характерный представитель второго поколения вариаторов Jatco. Младшая модель JF011E идет в паре с атмосферными бензиновыми моторами 2.0 и 2.5, а старшая JF010E - с двигателями 3.5. Конструктивно они идентичны, разница лишь в усилении различных элементов под более высокий крутящий момент. Вариатор JF011E ставили на Nissan Qashqai и X‑Trail предпоследней генерации, а также Mitsubishi Outlander двух последних поколений. Агрегат JF010E полагался, например, кроссоверу Nissan Murano (Z50 и Z51), а также седану Teana (J31 и J32).
Десятое семейство не имеет характерных болячек. Средний ресурс этих вариаторов - 150 000–200 000 км. К концу их жизни наступает общий критический износ элементов - конусов и ремня, подшипников конусов и их посадочных мест в корпусе, клапанов в гидроблоке и масляном насосе.
Вопреки расхожему мнению, редукционный клапан масляного насоса не является слабым местом. По крайней мере, он служит не меньше других деталей вариатора. Износ посадочного места клапана в корпусе насоса вызван попаданием металлической пыли на контактные поверхности. В результате он начинает подклинивать, и давление в гидросистеме выходит за пределы нормы. Однако это уже следствие механического износа других элементов вариатора. Металлическая пыль еще до нападения на масляный насос успевает подранить гидроблок и его соленоиды. Из-за этого возникает чрезмерный разброс давления в гидросистеме, который приводит к повышенному износу пары ремень/конусы. Но это не проявляется явно, пока не устанет редукционный клапан. Поэтому упреждающее лечение одного только масляного насоса при появлении первых симптомов недомогания вариатора - это лишь небольшая отсрочка капитального ремонта.
Вариаторы десятой серии ремонтопригодны. Полное восстановление обходится примерно в 150 000–180 000 рублей . Официально Nissan в запчасти поставляет либо новый гидроблок, либо вариатор в сборе. Однако на рынке можно достать некоторые оригинальные запчасти по отдельности, а другие элементы успешно ремонтируют. На рынке можно также заказать через поставщиков новый вариатор по умеренной цене - за 200 000–230 000 рублей . Причем это касается моделей и из других семейств, даже самых новых. Такие предложения можно найти, например, через клубные сервисы.
При ремонте ремень меняют на новый, а изношенные конусы, в зависимости от степени повреждений, шлифуют или заменяют бэушными в хорошем состоянии. Обработка конусов дело очень ответственное. На примере вариаторов других производителей можно смело сказать, что такого ремонта часто хватает ненадолго. Однако в отношении вариаторов Jatco он более оправдан. Грамотные сервисмены поручают шлифовку специализированным предприятиям (заводам).
А вот ремонт гидроблоков, как и в случае с другими вариаторами, нецелесообразен. Разве что поменять пару неисправных соленоидов на рабочие бэушные или новые.
Оригинальные подшипники конусов доступны как запчасти. А их изношенные посадочные поверхности в полукорпусах вариатора реанимируют, устанавливая чугунные гильзы. Эту работу также поручают заводам.
Модели JF010E и JF011E считаются довольно надежными на фоне аналогичных вариаторов других производителей. Однако, если сравнить их с предшественниками первого поколения (серия RE0F06A), имевшими отличную репутацию, картина станет менее радужной. Выяснится, что вариаторы второй генерации просели по ресурсу почти в два раза! Сказывается общая тенденция современного автопрома к упрощению (в плохом смысле) удачных конструкций и удешевлению производства. Например, по характеру износа различных элементов хорошо видно, что в вариаторах второго поколения использован металл более низкого качества.
Саморазрушение
Свежая модель JF015E принадлежит семейству CVT7. Фирма Jatco не относит его к какому-то конкретному поколению.
JF015E - это обособленная разработка, предназначенная исключительно для малообъемных атмосферных бензиновых моторов. Этот вариатор устанавливают в основном на машины концерна Renault-Nissan c двигателями 1.6, например на Nissan Juke и Qashqai, Renault Kaptur и Fluence.
Главная конструктивная особенность JF015E - наличие двухступенчатой планетарной передачи. На скорости до 100 км/ч задействована первая ступень, свыше - вторая. Такая схема позволила значительно уменьшить размеры конусов и, соответственно, общие габариты вариатора. Эта идея была хороша на бумаге, но на деле получилась конструкция, которая сама себя убивает.
Из-за непродуманности многих решений и экономии при производстве вариаторные детали, подверженные естественному износу, умирают в несколько раз быстрее. Вдобавок страдают даже элементы планетарной передачи, что вообще не характерно для бесступенчатых агрегатов.
Подшипники для Jatco поставляет компания NSK. Эта продукция свободно представлена на рынке запчастей. Комплект из трех основных подшипников конусов стоит 13 000–14 000 рублей.
Из-за низкого качества металла быстро изнашиваются подшипники конусов и их посадочные места в корпусе вариатора. Металлическая стружка разносится по гидросистеме, забивая соленоиды гидроблока и редукционный клапан масляного насоса. Давление масла выходит за допустимые пределы, и вариатор быстро сдается.
Активно изнашиваются и внутренние элементы в конусах, обеспечивающие их перемещение. Из-за этого в гидросистему попадает еще больше стружки.
В среднем JF015E редко выхаживает больше 100 000 км, а первые звоночки раздаются уже на 20 000–30 000 км. Ремонт чаще всего является нецелесообразным. За него редко берутся даже независимые СТО. Единственный разумный выход - купить новый вариатор.
В ПОТЕ ЛИЦА
Автопроизводители часто недооценивают важность системы охлаждения вариатора. На некоторых машинах (например, на нынешнем Murano) нет полноценного радиатора, а на других он размещен в неудачном месте - перед передним левым подкрылком. Там он активно забивается грязью и гниет. Причем это касается и свежих, и пожилых моделей. Отказ от установки радиатора на «дореформенных» Аутлендерах нынешнего поколения привел к тому, что вариатор JF011E стал часто перегреваться. В итоге производитель признал просчет и вернул теплообменник.
Достаточная производительность системы охлаждения крайне важна для здоровья вариатора. Благо, на рынке присутствуют различные комплекты радиаторов за приемлемые деньги. Одни наборы предназначены для установки в штатное место - перед подкрылком, а другие - например, перед парой теплообменников двигателя и кондиционера. В зависимости от модели автомобиля монтаж радиатора под ключ стоит от 9000 до 13 000 рублей.
Третьим будешь
На смену десятому семейству пришла серия CVT8. Это вариаторы третьего поколения. На нашем рынке оно представлено моделями JF016E и JF017E. Несмотря на полноценную смену поколения, новые вариаторы построены на базе прародителей.
Вариатор JF016E сменил «старичка» JF011E и унаследовал его моторную гамму. Среди его носителей, к примеру, Nissan Qashqai и X‑Trail новой генерации. Аналогично поменялись местами серии JF017E и JF010E - новый вариатор прописался под капотом свежих кроссоверов Nissan Pathfinder и Murano, а также Infiniti QX60/JX35.
Агрегаты третьего поколения отличаются друг от друга сильнее, чем предшественники. Усиление элементов вариатора JF017E для переваривания более высокого крутящего момента потребовало применения штифтового ремня (так называемой цепи), а у JF016E остался привычный пластинчатый.
Конструктивная основа семейства CVT8 двояка. На одном полюсе - упрощенное ради удешевления производства «железо» от десятой серии, а на другом - чрезмерное усложнение системы управления. И то и другое привело к заметному, в полтора-два раза, сокращению ресурса агрегатов. Однако вариаторы CVT8 сохранили ремонтопригодность. Стоимость их полноценного восстановления даже ниже, чем у представителей десятого семейства, и обычно не превышает 150 000 рублей .
Гидроблок - самый прихотливый узел CVT8. Производитель максимально сэкономил на «железной» основе и убрал шаговый электромотор, который на вариаторах десятого семейства управлял давлением масла для изменения передаточного отношения в конусах. Конструкцию гидроблока изменили, применив дополнительные соленоиды нового типа. Причем и здесь производитель пожадничал, выбрав более дешевые в изготовлении соленоиды, которые на выходе имеют разные параметры. Поэтому с новым вариатором или гидроблоком идет диск с индивидуальными калибровками для каждого клапана. Если не прописать их в блоке управления агрегатом, то вариатор будет работать некорректно либо машина вообще не поедет.
Закономерно, что такой мудреный гидроблок не всегда долго работает исправно. Давление масла в различных режимах выходит за допустимые пределы, и запускается цепная реакция. Металлическая пыль из-за проскальзывания ремня разносится по всей гидросистеме и убивает вариатор.
Ремонт неисправного гидроблока невозможен. Использовать бэушные/новые соленоиды или узел в сборе также не получится, потому что нельзя найти соответствующие калибровки. На разборке нужно покупать гидроблок вместе с блоком управления вариатором, и чтобы они обязательно были от одной машины.
В остальном особенности ремонта у вариаторов CVT8 и десятого семейства одинаковые. К примеру, в моделях JF016E и JF017E использован практически такой же масляный насос, поэтому возможна замена изношенного редукционного клапана.
НА УПРЕЖДЕНИЕ
В политике регламентного обслуживания давно сложилась неоднозначная ситуация. Компания Jatco предписывает обязательную периодическую замену масла в своих вариаторах, а автопроизводители частенько заявляют, что жидкость рассчитана на весь срок службы агрегатов. В этом вопросе представители дилерских и независимых техцентров единодушны: масло необходимо обновлять. Jatco рекомендует делать это через каждые 60 000 км в обычных условиях эксплуатации, а в тяжелых - еще и сокращать этот интервал. Такой подход гарантированно продлевает ресурс.В вариаторах Jatco используется два масляных фильтра. Фильтр грубой очистки, расположенный в поддоне, при обновлении масла достаточно промыть. В зависимости от модели вариатора одноразовый бумажный фильтр тонкой очистки стоит в навесном теплообменнике или в отдельном корпусе в торце агрегата. Сервисмены советуют использовать только оригинальное масло. Все вариаторы Jatco очень чувствительны к неизбежному смешиванию жидкостей с разными пакетами присадок.
Когда вариатор начинает хандрить (появляются рывки, пинки, падает динамика разгона), бесполезно менять в нем масло в надежде исправить ситуацию. Обычно такие симптомы говорят о существенном механическом износе элементов и необходимости ремонта. При этом всяческие аварийные режимы работы вариаторов задействуются, когда дело уже совсем плохо (например, началась пробуксовка ремня). Важно не откладывать визит в сервис. Своевременное обращение иногда существенно снижает итоговую стоимость ремонта, поскольку удается спасти некоторые элементы.
Эволюция вариаторов Jatco подтверждает общую печальную закономерность: каждое новое поколение становится менее надежным. Утешает лишь то, что бóльшая часть вариаторов этой фирмы ремонтопригодна и пока еще остаются доступными новые агрегаты по разумным ценам.
Говорим про "Ниссан" с автоматической коробкой передач - предполагаем бесступенчатую трансмиссию CVT. Японцы перевели на вариаторы практически всю линейку своих моделей, от компактных Juke, Qashqai и Sentra до полноразмерных Murano и Pathfinder. У вариаторов есть свои приверженцы и противники, хотя, как обычно, все сводится к вопросу привычки и "религии".
Главными преимуществами такого типа коробки перед классическими автоматами и "роботами" считаются плавность работы, экономичность и адекватная стоимость при производстве.
Минимальная цена
1,173 млн руб
Максимальная цена
1,763 млн руб
Сами вариаторы для машин концерна Renault-Nissan традиционно поставляет компания Jatco. Примечательно, что, например, один лишь Qashqai оснащается аж тремя разновидностями трансмиссии CVT в зависимости от силового агрегата. Маломощному мотору 1,2 DIG-T (115 л.с.) полагается один вариатор, атмосфернику 2,0 л (144 л.с.) - другой, а самый выносливый тип CVT устанавливается в паре с турбодизелем 1,6 л (130 л.с.). Такой вариатор имеет цепной механизм привода и способен переварить до 380 Нм крутящего момента, поэтому аналогичную коробку можно найти даже у Infiniti QX60.
Вот что пишет о "Кашкае" сам производитель:
Nissan Qashqai можно укомплектовать передним или полным приводом, механической коробкой переключения передач или вариатором Xtronic. В любом случае Вы получите отличную динамику в сочетании с экономным расходом топлива и высокими показателями экологичности.
Усовершенствованный вариатор Xtronic позволяет получить еще больше удовольствия, обеспечивая динамичный разгон без рывков и отзывчивость на педаль газа, вместе с тем повышая топливную экономичность.
Nissan всегда стремится совершенствовать свои продукты и производственные процессы, чтобы соответствовать времени и потребностям своих клиентов. Qashqai теперь также производится в России, благодаря чему мы смогли создать автомобиль, готовый к российским условиям.
Из маркетинговых материалов компании Nissan.
В целом бесступечатые коробки CVT зарекомендовали себя надежными агрегатами даже в российских дорожно-климатических условиях. Однако "вспышки" массовых неисправностей иногда встречаются на отдельных моделях определенных годов выпуска. Внезапные поломки CVT на маленьких пробегах (20-70 тысяч км) встречались и у Juke, и у X-Trail и у вышеупомянутого Qashqai. "Предсмертными" симптомами владельцы и сервисмены называют толчки при имитации переключения ступеней, посторонние звуки во время движения и плавающие обороты двигателя.
Иногда все проблемы решались переустановкой программного обеспечения трансмиссии у дилеров, но нередко приходилось "приговаривать" коробку и производить замену. К счастью, официалы не портят жизнь обладателям дефектных "Ниссанов" и без лишних уговоров меняют агрегат CVT в рамках гарантийного срока.
А во сколько обойдется замена бесступенчатой трансмиссии в том случае, если придется платить за это из своего кармана? Ведь в официальном сервисе не производят дефектовку и модульный ремонт CVT, а меняют коробку целиком. Ее ресурс составляет около 150-200 тысяч км. Причем, остается немало владельцев, кто пользуется услугами официалов и за пределами гарантии.
Чтобы выяснить расценки, мы по традиции обратились к официальным дилерам марки Nissan в Москве, а калькуляцию составляли для дизельного "Кашкая" 1,6 л (130 л.с.) 2017 года выпуска. Выяснилось, что бесступенчатая трансмиссия CVT в сборе с гидротрансформатором и блоком клапанов стоит 413 709 рублей, а срок ожидания агрегата составит не более 5 рабочих дней. Все работы по замене коробки, заливу трансмиссионного масла и адаптации обойдутся еще в 27 500 рублей. Итоговая сумма - 441 209 рублей!
Запчасти
Работы по установке
Явно не на такие расходы рассчитывали покупатели Nissan Qashqai, когда покупали сравнительно доступный кроссовер! Выходит, что вариатор у "Ниссана" стоит примерно столько же или даже дороже, чем пресловутые "роботы" DSG и Powershift. Радует лишь тот факт, что отремонтировать CVT можно за гораздо меньшие деньги (50-90 тысяч рублей), а расценки на восстановленную трансмиссию в сборе на свободном рынке варьируются от 80 до 130 тысяч в зависимости от продавца и типа CVT.
Отдельно отметим, что компании Nissan и Jatco постоянно дорабатывают конструкцию бесступенчатых коробок передач, и с каждым годом процент их поломок постоянно снижается. А владельцам нам остается лишь посоветовать менять масло в CVT не реже одного раза в 60 тысяч км (даже если производитель называет вариатор необслуживаемым), а также регулярно обновлять ПО у дилеров при выходе свежих заводских "прошивок".
P.S. Если вы думаете, что в вашем автомобиле ничего такого страшно затратного нет - то вы просто не читали наши новые исследования, следите за обновлениями. Новые слезы обещаем каждую неделю. :)
В последнее время, в связи с развитием инверторной техники и частотного регулирования электромашин, нередко высказывается мнение о неперспективности вариаторного привода от электродвигателей с постоянной частотой вращения. Действительно, с помощью инверторной техники можно изменять частоту вращения электродвигателей или получать постоянную частоту тока от генераторов, вращающихся с переменной угловой скоростью. Но электромашины с инверторным регулированием отнюдь не заменяют собой их же, но с вариаторным приводом.
Дело здесь в том, что электромашины при инверторном регулировании должны выбираться исходя из максимального крутящего момента, проходящего через них. При заданной мощности это означает, что работа на минимальных частотах вращения требует электромашин с самыми большими габаритно-массовыми показателями. Усугубляет положение пониженная эффективность работы большинства электромашин на низких частотах тока.
Анализ показывает, что привод с электромашиной постоянной частоты вращения и вариатором существенно эффективнее привода от электромашин с частотным регулированием и машин постоянного тока, особенно по массе агрегата, и, разумеется, стоимости. Так, например, получить максимальный крутящий момент около 100 Нм при интервале рабочих частот вращения 200...2200 об/мин можно с помощью мотор-вариатора с асинхронным электродвигателем мощностью 2,2 кВт общей массой 30 кг, электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением мощностью 3 кВт и массой 125 кг, а также асинхронного электродвигателя с частотным регулированием мощностью 30 кВт с инвертором общей массой около 200 кг. При этом КПД установок с асинхронным электродвигателем соизмерим и колеблется между 0,7 и 0,8 в зависимости от крутящего момента, а у электродвигателя постоянного тока он сильно падает, примерно до 0,3 при максимальном моменте.
Преимущество вариаторного привода наиболее отчетливо наблюдается при больших мощностях привода, когда массы агрегатов существенны, либо когда имеются жесткие ограничения к массам агрегатов. Например, согласно расчетам, наличие вариатора вместо инверторного регулирования на мощных, порядка мегаватта и более, ветроустановках позволяет снизить массу генератора в 2...3 раза, а она сейчас порядка 10 тонн и выше. Масса же генератора существенно влияет на массу и стоимость вышки ветроустановки высотой около 120 м. К тому же ветроустановки обычно работают при мощностях менее 25% от установочной, а КПД инверторов при таких недогрузках гораздо меньше, чем у описываемого вариатора с оптимизированным, зависящим от мощности нажимом (сказанное относится к германским ветроустановкам, с которыми авторы знакомы по работе).
Очень полезен в понимании этого вопроса пример из автомобильной техники. Известно, что двигатель автомобиля, также как и электромашина с частотным регулированием, позволяет менять частоту вращения в широких пределах регулировкой подачи топлива. Однако попытка обойтись в приводе автомобиля без коробки передач, безразлично, ступенчатой или бесступенчатой, привела бы к хорошо понятному результату – двигатель стал бы иметь массу, соизмеримую с остальной частью автомобиля. Или автомобиль стал бы разгоняться с интенсивностью товарного поезда.
Прототипом нового вариатора является с нашей точки зрения наиболее перспективный планетарный дисковый вариатор по патенту Великобритании №1384679, F16H 15/50, 19.02.75 г. долгое время успешно выпускаемый, в частности, германской фирмой «Lenze» под названием «Disco» (рис. 1).
Рис. 1. Вариатор «Disco» фирмы «Lenze»: 1 – ведомый вал; 2 – неподвижное кольцо муфты; 3 – диск сателлитов; 4 – нажимное кольцо муфты; 5 – ось сателлита; 6 – сателлит; 7 – упорное кольцо; 8 – внутреннее солнечное колесо; 9 – пакет пружин; 10 – вал электродвигателя
На валу 10 электродвигателя установлено внутреннее солнечное колесо 8 , вращающееся с практически постоянной угловой скоростью. Наружное солнечное колесо состоит из упорного кольца 7 и нажимного кольца муфты 4 . Между внутренним и наружным солнечными колесами находятся сателлиты 6 , установленные на осях 5 . Сателлиты свободно перемещаются в радиальном направлении в гнездах диска 3 , через который крутящий момент передается на ведомый вал 1 .
Изменение передаточного отношения в вариаторе «Disco» производится при работающей передаче принудительно, путем вращения через винтовую или червячную передачу. При вращении нажимного кольца муфты, имеющего как и неподвижное кольцо 2 , волнообразный профиль, происходит его перемещение в осевом направлении, вследствие чего изменяется зазор между нажимным и упорным кольцами. При уменьшении зазора сателлиты выдавливаются к центру, сжимая пакет пружин 9 . Передаточное отношение вариатора при этом уменьшается. При вращении нажимного кольца в другую сторону зазор увеличивается и промежуточные конические диски под действием пакета пружин устремляются на периферию, повышая передаточное отношение.
Следует заметить, что последние серии вариаторов «Disco» снабжены сервосистемой с дополнительным двигателем и приводом для автоматического изменения передаточного отношения, например, в зависимости от момента сопротивления на выходном валу.
Планетарная схема вариатора кроме высокой компактности обеспечивает повышенные значения КПД, особенно на малых передаточных отношениях, близких к единице (напомним, что при передаточном отношении, равном единице весь планетарный механизм работает как одно целое без потерь на прокручивание). Это свойство особенно важно для автомобилей, так как наибольшие мощность двигателя и время работы здесь происходит именно на таких передаточных отношениях, называемых в автомобилестроении «высшими». Следует отметить, что именно дисковый вариатор, в отличие от вариаторов других типов, наилучшим образом подходит для планетарной схемы, так как все его рабочие элементы вращаются в одной плоскости и не подвержены весьма высоким гироскопическим воздействиям, пагубно влияющим на подшипники сателлитов. Вариаторы же с гибкой связью практически непригодны для использования по планетарной схеме. По своей несущей способности и эксплуатационным показателям – это один из лучших вариаторов.
Однако вариаторам «Disco» присущи следующие существенные недостатки, анализ которых необходим для понимания работы нового вариатора.
Невозможность повышения передаваемого крутящего момента и мощности путем простого увеличения числа рядов дисков, так, как это делается в многодисковых вариаторах. Это происходит из-за того, что внешние и внутренние центральные фрикционные диски при изменении передаточного отношения перемещаются в противоположных направлениях. Например, при сближении внешних дисков, внутренние раздвигаются, и наоборот.
Внешние и внутренние фрикционные диски представляют собой жесткие, практически недеформируемые в осевом направлении элементы, из-за чего усилие нажима воспринимают при шести сателлитах лишь 70% точек контакта. Это вызывает падение КПД и допускаемых контактных напряжений, повышает вероятность заеданий и требует весьма точного выполнения дисков-сателлитов по толщине (жесткий допуск на разнотолщинность), что повышает стоимость изделия.
Весьма неблагоприятные условия нажима фрикционных дисков, связанные со способом регулирования передаточного отношения. Нажимы во внешнем и во внутреннем фрикционных контактах без учета центробежных воздействий в этих вариаторах одинаковы, причем они повышаются при увеличении частоты вращения выходного вала, то есть при уменьшении передаточного отношения («выдавливании» сателлитов к центру). В этом же положении максимальны центробежные эффекты сателлитов, дополнительно существенно нагружающие их зоны контактов с внутренними дисками. Анализ показывает, что требуемые, то есть оптимальные нажимные усилия прямо противоположны имеющимся, из-за чего при малых передаточных отношениях сильно – в десятки раз – перегруженными оказываются контакты сателлитов с внешними дисками. Следствия этих пережимов видны из рис. 2, на котором приведены экспериментальные зависимости КПД вариатора «Disco» и нового планетарного дискового прогрессивного вариатора от частоты вращения выходного вала. Наибольшее падение КПД наблюдается у вариаторов «Disco» в наиболее используемом, особенно для автомобилей, режиме максимальных частот вращения выходного вала (минимальных передаточных отношений).
Рис. 2. Экспериментальные графики зависимости КПД от частоты вращения выходного вала: 1 – нового планетарного дискового прогрессивного вариатора; 2 – вариатора «Disco» фирмы «Lenze»
Способ регулирования передаточного отношения вариаторов «Disco», определяемый их конструкцией, неприменим для их использования на автомобилях и других машинах с динамичным изменением режимов работы. Помимо неблагоприятных условий нажима дисков, вызываемых этим способом, даже при наличии сервосистемы изменения передаточного отношения, системы датчиков и электронного блока управления, реакция механизма на увеличения усилия прижима внешних дисков (а именно так происходит изменение передаточного отношения) наступает весьма нескоро. Перемещение сателлитов происходит из-за упругих деформаций стальных жестких дисков и осуществляется очень медленно – до 250 секунд. Оперативного изменения передаточного отношения путем непосредственного перемещения сателлитов здесь осуществить нельзя.
Между тем сама планетарная схема дискового вариатора настолько перспективна по сравнению с другими вариаторами, что авторы сочли целесообразным создать на этой основе вариатор, лишенный отмеченных недостатков и обеспечивающий следующие полезные свойства.
Многодисковость конструкции при совмещении по оси внешних и внутренних рядов фрикционных дисков. Это позволит повышать несущую способность вариатора пропорционально числу рядов дисков при незначительном увеличении его габаритов по длине.
Равномерность прижима всех зон контактов при любом числе сателлитов, что позволяет избежать заеданий при высоких значениях контактных напряжений, допустимых для точечного исходного контакта. Достигается это использованием упруго-податливых центральных фрикционных дисков, компенсирующих разнотолщинность сателлитов.
Оптимизированный автоматический прижим фрикционных дисков, зависящий от передаточного отношения вариатора. Это позволяет учитывать изменяющийся коэффициент упругогидродинамического (УГД) трения во фрикционных контактах, также зависящий от передаточного отношения вариатора. Анализ показывает, что для большого числа важнейших применений вариаторов этот способ прижима фрикционных элементов наиболее подходит.
Это относится, например, к приводам от электромашин переменного тока с практически постоянной частотой вращения. Обеспечивая наилучшие показатели при максимальной мощности, такой способ прижима практически не снижает эффективности и при уменьшении потребляемой мощности в 2...3 раза, так как пережим в это число раз очень незначительно снижает КПД (сравните с пережимом в десятки раз у вариаторов «Disco»).
Это же относится к наиболее массовому и перспективному потребителю вариаторов – автомобилю. Не вдаваясь в нюансы этого достаточно сложного вопроса, отметим, что на режимах полной подачи топлива, а именно на этих режимах работают современные системы автомобильных трансмиссий с вариаторами, зависимость прижима дисков от передаточного отношения наиболее эффективна. На частичных режимах подачи топлива предполагается работать только в редких случаях, да и при этом КПД самого двигателя снижается настолько резко, что незначительное снижение КПД вариатора из-за пережима дисков здесь окажется практически незаметным.
На таких потенциально массовых потребителях вариаторов с высоким КПД как ветроэлектростанции, предполагаемый способ нажима наилучший, так как здесь все силовые параметры вариатора, в том числе и нажим, зависят от частоты вращения ветроколеса, а это при постоянной частоте вращения генератора означает, что и от передаточного отношения вариатора.
Главное, на наш взгляд, свойство – это саморегулируемость, адаптивность, или используя применяемый для вариаторов термин – «прогрессивность». Это свойство особенно ценно тогда, когда оно достигается не использованием дополнительных сложных, дорогих и ненадежных силовых сервосистем с датчиками, электронными блоками управления и серводвигателями с исполнительными механизмами, а органически свойственно данной конструкции вариатора. Это достигается в конструкции нового вариатора объединением систем нажима и изменения передаточного отношения. К тому же предусмотрена возможность принудительного (по желанию оператора) изменения на ходу степени этой прогрессивности или «мягкости» зависимости частоты вращения от момента сопротивления на выходе. Разумеется, предусмотрено и непосредственное принудительное изменение передаточного отношения, в том числе в ряде случаев и на неподвижном вариаторе, что принципиально невозможно на вариаторах «Disco» и на подавляющем большинстве других фрикционных вариаторов.
Эти свойства нового вариатора, работа над которым ведется в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ) около 20 лет, отражены в патентах России .
Принципиальная схема вариатора представлена на рис. 3. На этой схеме вариатор включает всего два ряда центральных фрикционных дисков – неподвижных внешних 9 , установленных в корпусе 18 , и внутренних 5 с зажатыми между ними сателлитами 7 при помощи тарельчатых (или просто плоских дисковых) пружин 4 и 8 , соответственно. Однако по схеме понятно, что этих рядов может быть сколь угодно много, сколько выдержат по прочностным и жесткостным показателям оси сателлитов 10 , и их подшипники 6 . Не исключаются и промежуточные поддерживающие опоры на осях 10 , преимущественно при числе рядов выше четырех. Число сателлитов в одном ряде преимущественно шесть, как и в вариаторах «Disco», хотя для мощных устройств с малым диапазоном варьирования (например, для мощных ветроустановок), их может быть до 12 . Подшипники 6 осей 10 находятся на одном конце поворотных рычагов 19 , на других концах которых размещены противовесы 11 , одна группа которых снабжена роликами 12 , находящимися в фасонных прорезях 20 диска 13 , связанного с выходным валом 17 .
Рис. 3. Схема нового планетарного дискового прогрессивного вариатора: 1 – ось поворотных рычагов; 2 – водило; 3 – входной вал; 4 – тарельчатая пружина; 5 – внутренний центральный фрикционный диск; 6 – подшипники сателлитов; 7 – сателлит; 8 – плоская дисковая пружина; 9 – неподвижный внешний центральный фрикционный диск; 10 – ось сателлитов; 11 – противовес; 12 – ролик; 13 – прорезной диск; 14 – рычаг; 15 – пружина; 16 – рычажный механизм; 17 – выходной вал; 18 – корпус-эпицикл; 19 – поворотный рычаг; 20 – фасонная прорезь прорезного диска; ЖСМ – жидкий смазочный материал.
Поворотные рычаги 19 сидят на осях 1 , закрепленных в водиле 2 . Ролики 12 отжимаются на периферию пружинами 15 , усилие которых может изменяться принудительно с помощью рычажного механизма 16 , воздействие на который осуществляется рычагом 14 . Рычаг может передвигаться как вручную (например, с помощью винтового механизма, если нужно принудительно устанавливать нужные передаточные отношения), так и с помощью усилителей, имеющих упругую характеристику (например, пневмокамер, управляемых от пневмосистемы). Следует отметить, что вариатор является прогрессивным и без механизма изменения усилия пружин. Но тогда он будет иметь всего одну «мягкую» рабочую характеристику, например, как у гидротрансформатора или электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Описанный механизм изменения усилия пружин (как в сторону его уменьшения, так и увеличения) изменяет лишь степень «мягкости» характеристики вариатора, позволяя работать на любом режиме, что особенно важно для автомобильной автоматической трансмиссии. В таком случае рычаг 14 будет связан с педалью управления скоростью автомобиля, с дополнительным усилителем или без него.
При изменении крутящего момента на выходном валу 17 , ролик 12 , находящийся до этого в прорези 20 в уравновешенном состоянии, под действием усилий пружин 4 , 8 , 15 , тангенциальных усилий рабочего момента и других усилий в механизме вариатора, изменяет свое положение в прорези, меняя при этом передаточное отношение. Нажимные пружины 4 и 8 при этом упруго деформируются за счет расклинивающего действия сателлитов, что при вращении фрикционных дисков связано с ничтожным сопротивлением трению, и имея специально подобранные характеристики «сила-деформация», обеспечивают оптимальный по КПД нажим фрикционных дисков, с запасом β = 1,25...1,5. Прорезь 20 может быть выполнена и такого профиля, когда она лишь уменьшает или полностью устраняет усилие перевода ролика 12 при изменении передаточного отношения. Таким образом, свойство прогрессивности является как бы «врожденным» свойством, присущим конструкции вариатора, и достигается лишь подбором формы прорези 20 и жесткости пружины 15 .
Опытный образец описанного вариатора в виде мотор-вариатора был рассчитан и спроектирован авторами данной работы и изготовлен на АМО ЗИЛ по совместному тематическому плану с Московским государственным индустриальным университетом (МГИУ). При расчете вариатора были использованы созданные при участии авторов методики и программы . Проектирование вариатора осуществлялось в системе трехмерного моделирования CATIA (рис. 4). Заметим, что опытный образец мотор-вариатора, имеющий самостоятельное значения для общепромышленного назначения, для АМО ЗИЛ является первым этапом создания автоматической бесступенчатой коробки передач, в частности для автобуса ЗИЛ-3250.
Рис. 4. Изометрия мотор-вариатора
Для испытаний мотор-вариатор был снабжен тормозным устройством с водяным охлаждением тормозного барабана и с возможностью регулирования тормозного момента (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид мотор-вариатора с тормозным устройством
Испытания опытного образца показали, что вариатор действительно является прогрессивным, имея «мягкую» характеристику, представленную на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость крутящего момента на выходе М вых от частоты вращения выходного вала n 2 и передаточного отношения i мотор-вариатора
При этом на высоких передаточных отношениях, в данном случае кинематическом, равном i = 9, а реальном около i = 13, проскальзывание достигало 35%, а значение передаваемого крутящего момента все возрастало. Эту необыкновенную «живучесть» фрикционного вариатора мы объясняем высоким значением фактора верчения при высоких передаточных отношениях данного вариатора. Похожий эффект возрастания коэффициента УГД-трения при высоких значениях проскальзывания и фактора верчения был получен проф. H. Vojacek в трибологической лаборатории в г. Гмунде, Германия . Как известно, при малых значениях фактора верчения уже небольшие значения скольжения вызывают падение коэффициента УГД-трения и буксование фрикционной передачи, что показано многочисленными испытаниями на роликовых стендах.
Концепция нового прогрессивного вариатора в его автомобильном назначении в качестве автоматической бесступенчатой коробки передач была описана в , в качестве составной части автомобильного гибрида в , и в качестве нового перспективного типа движителя автомобиля, где вариатор встроен в ступицу ведущего колеса – вариоколеса, в .
Наиболее крупной спроектированной конструкцией на основе разработанного вариатора является вариатор-мультипликатор для ветроустановки мощностью 680 кВт. Следует заметить, что сдвоенный вариатор такой мощности с одним механизмом управления, расположенным в середине, может передать мощность 1,5 МВт, что достаточно для самой распространенной в перспективе модели ветроустановки. Следует отметить, что как мощность, передаваемая через каждую зону контакта при этом, так и особенно мощность потерь, переходящая в тепло, здесь значительно меньшие, чем способна передать зона контакта даже меньшего размера, что показано испытаниями на стендах .
В качестве жидкого смазочного материала (ЖСМ) предполагается использование как моторного масла (например, для коробки передач к автобусу ЗИЛ-3250, имеющей большой запас по мощности), так и специально разработанных трактантов «Santotrac» и «Variotrac», широко выпускаемых в США и Германии, а также отечественного трактанта ВТМ-1. Заметим, что использование трактантов существенно повышает несущую способность, долговечность и КПД вариаторов и перспективы их применения сомнений не вызывают.
Источники информации:
- Многодисковый планетарный вариатор / Н.В. Гулиа. – Патент России №2140028; 26.05.98.
- Автоматическая бесступенчатая передача / Н.В. Гулиа. – Патент России №2138710; 16.06.98.
- Гулиа Н.В., Юрков С.А., Петракова Е.А., Ковчегин Д.А., Волков Д.Б. Методика расчета основных параметров фрикционного дискового вариатора // Справочник. Инженерный журнал. – 2001. – №1. – С.30...39.
- Vojacek H., Traktionsfluide Struktur und Eigenschaften vor alle Reibungsverhalten, Elmatik GmbH, 8036 Herrsching 2/BRD, 1985.
- Отрохов В.П., Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобильная промышленность. – 1998. –№7. – С.16...18.
- Гулиа Н.В., Власов А.Е., Юрков С.А. Механическая бесступенчатая передача для грузовых автомобилей и автобусов. Перспективы использования // Грузовик & Автобус, троллейбус, трамвай. – 1999. – №12. – С.7...12.
- Гулиа Н.В., Юрков С.А. Гибридные силовые агрегаты для городских автобусов // Грузовик & Автобус, троллейбус, трамвай. – 2000. – №1. – С.10...14.
- Гулиа Н.В., Юрков С.А. Новая концепция электромобиля // Автомобильная промышленность. – 2000. – №2. – С.14...17.
- Гулиа Н.В., Мартин Ф., Юрков С.А. Вариоколесо и его перспективы для автомобилей // Автомобильная промышленность. – 2000. – №10. – С.19...21.
- Елманов И.М., Колесников В.И. Термовязкоупругие процессы трибосистем в условиях упругогидродинамического контакта. – Ростов-на-Дону: Центр Высшей школы, 1999. – 173 с.